KR100704990B1 - 고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터 - Google Patents

고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터에 관한 것으로, 초음파 모터의 탄성체의 재질을 금속 재질에서 내마모성이 우수한 세라믹스 재질로 변경함으로써, 마찰에 의해 발생하는 마모분을 최소화하고, 일정한 동작특성을 확보하며, 모듈 부품 수를 감소할 수 있는 이점이 있다.
이를 위한 본 발명에 의한 세라믹스 튜브형 초음파 모터는, 세라믹스 재질로 형성된 튜브형의 탄성체와, 상기 탄성체의 외주면에 부착되며 소정의 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되는 다수의 압전 진동판을 구비한 고정자; 및 상기 다수의 압전 진동판에 인가된 전압에 의해 굴곡 진동하는 상기 탄성체와의 마찰에 의해 회전하는 회전자;를 포함한다.
세라믹스, 초음파 모터, 고정자, 탄성체, 회전자

Description

고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터{A STATOR AND CERAMIC TUBE TYPE ULTRASONIC MOTOR USING THE SAME}

도 1은 본 발명에 의한 세라믹스 튜브형 초음파 모터에 사용되는 고정자의 구성도

도 2는 본 발명에 의한 세라믹스 튜브형 초음파 모터의 구성도

도 3은 본 발명에 의한 세라믹스 튜브형 초음파 모터의 고정자에 전압 인가시 굴곡 진동 동작을 설명하기 위한 설명도

〈도면의 주요 부호에 대한 설명〉

1OO : 세라믹스 튜브형 초음파 모터

11O : 고정자 111 : 탄성체 또는 세라믹스 튜브

112 : 압전 진동판 120 : 회전자

120a, 120b : 마찰면 131 : 스프링

132 : 와셔 133 : E-링(r ing)

134 : 스토퍼(stopper)

본 발명은 고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터에 관한 것으로, 특히 회전자와 마찰하는 탄성체의 재질을 금속 재질에서 내마모성이 우수한 세라믹스 재질로 변경함으로써, 마찰에 의한 마모분을 최소화할 수 있는 고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터에 관한 것이다.

최근 들어, 정보사회의 급속한 발달로 인해 보다 빠르고 정밀한 전자 및 광학기기의 필요성이 대두되고 있으며, 특히 휴대용 전자기기는 일반 소비자의 관심이 반영하듯 시장성이 매년 크게 확대되고 있다. 이중 카메라를 장착한 핸드폰은 센서의 화소 수 증가에 따라 자동 초점 및 광학 줌과 같은 디지털 카메라의 기능을 채택하려는 추세이며 관련업계에서는 시장선점을 위해 경쟁적으로 개발에 집중을 하고 있다.

이러한 고화소 핸드폰용 카메라 모듈의 구동기구로는 스텝핑 모터, VCM 및 압전 초음파 모터가 대표적이며, 이중 압전 초음파 모터는 압전 세라믹스에 전기를 인가했을 때 발생하는 수축과 팽창 등의 단순 진동을 고정자와 이동자(회전자) 사이의 마찰에 의해 원형 또는 선형 운동으로 바꾸어 회전 모터 기능을 가능하게 하는 것으로서, 전자기 구동 모터에 비해 높은 에너지 밀도, 빠른 응답속도, 높은 위치 정밀도와 동작시 소음이 없으며 전자파의 영향이 없다는 등의 장점이 있다.

핸드폰용 카메라 모듈의 렌즈 구동을 위한 구동장치의 일반적인 특성을 요약 하면 다음 표 1과 같다.

Figure 112005043538990-pat00001

한편, 이러한 마찰 구동방식인 압전 초음파 모터의 성능은, 탄성체와 압전 세라믹스로 구성되는 고정자와 이동자(회전자)의 재질에 의해 영향을 받으며, 특히 고정자 중 탄성체를 선정할 때에는 가공의 용이성과 내마모성이 고려되어야 한다.

1980년 사시다(T.Sashida)에 의해 발표된 압전 초음파 모터는 가장 대표적인 모터로서 압전 세라믹스의 변위를 확대시키기 위해 톱니모양의 금속(황동계열)을 탄성체의 재질로 사용하였다. 그러나 이러한 압전 초음파 모터에 있어서는, 회전자와의 마찰에 의해 압전 초음파 모터의 특성 저하, 구동 주파수 변이 등의 문제점이 있으며, 특히 카메라 모듈에서 치명적인 이물이 발생하는 결과 이를 최소화하기 위해 경도가 높은 물질을 고정자와 이동자 사이에 부착하거나 코팅하는 등의 노력이 계속되고 있다.

본 발명과 같은 튜브형 압전 초음파 모터에 대한 종래기술로서, 미국특허공개공보 제 2005/0052098 호에 개시된 "Mechanism comprised of ultrasonic lead screw motor"와, 1989년 「IEEE Transaction on Ultrasonic, Ferroelectric, and Frequency Control, Vol. 36, No. 5, pp.517-521」에 개시된 "An Ultrasonic Motor Using Vibration of a Short Cylinder" 등을 들 수 있다.

상기 미국공개공보에 개시된 압전 액츄에이터는, 본 발명의 탄성체에 해당하는 금속 재질의 하우징에 압전 세라믹스를 부착하거나 압전 세라믹스를 튜브 형태로 만들어 그 외곽에 전극을 형성한 구성을 포함하고 있다. 그러나, 상기 하우징은 상술한 바와 같이 금속 재질의 탄성체를 튜브 형상으로 만들었기 때문에 마모 등의 문제점이 있으며, 또한 압전 세라믹스로 튜브를 만들 경우 제작상의 어려움과 압전 세라믹스의 낮은 마찰계수와 약한 기계적 강도로 인하여 회전자에 구동력을 효율적으로 전달하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 상기 논문에 개시된 초음파 모터는, 구동원으로 사용된 란쥬반(Langevin) 진동자는 2장의 압전 세라믹스를 중심으로 양쪽에 금속체가 볼트로 고정된 구성으로 이루어져 있다. 상기 금속체는 압전 세라믹스의 진동을 증폭시키기 위하여 스테인레스 스틸을 사용하고 황동 재질인 회전자와의 마모를 방지하기 위하여 마찰재를 삽입한 구성으로 이루어져 있다. 그러나, 이 경우에 있어서도 고정자 중 탄성체의 기능을 수행하는 금속체가 스테인레스 스틸과 같은 금속재로 이루어져 있으므로 상술한 마모 등의 문제점이 여전히 잔존하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 초음파 모터의 탄성체의 재질을 금속 재질에서 내마모성이 우수한 세라믹스 재질로 변경함으로써, 마찰에 의해 발생하는 마모분을 최소화하고, 일정한 동작특성을 확보하며, 모듈 부품 수를 감소할 수 있는 고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고정자는, 세라믹스 재질로 형성된 튜브형의 탄성체; 및 상기 탄성체의 외주면에 길이 방향으로 부착되며 소정의 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되는 다수의 압전 진동판;을 포함한다.

여기서, 상기 압전진동판은 상기 탄성체와 동일한 세라믹스 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 세라믹스 재질은 알루미나, 지르코니아 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄성체의 외주면에는, 상기 압전 진동판들이 서로 전기적으로 연결되도록 전도성 물질이 코팅된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 세라믹스 튜브형 초음파 모터는, 세라믹스 재질로 형성된 튜브형의 탄성체와, 상기 탄성체의 외주면에 부착되며 소정의 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되는 다수의 압전 진동판을 구비한 고 정자; 및 상기 다수의 압전 진동판에 인가된 전압에 의해 굴곡 진동하는 상기 탄성체와의 마찰에 의해 회전하는 회전자;를 포함한다.

여기서, 상기 압전진동판은 상기 탄성체와 동일한 세라믹스 재질로 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 세라믹스 재질은 알루미나, 지르코니아 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄성체의 외주면에는 상기 압전 진동판들이 서로 전기적으로 연결되도록 전도성 물질이 코팅된 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에서는 상기 탄성체의 재질을 금속 재질에서 내마모성이 우수한 세라믹스 재질로 변경함으로써, 마찰에 의해 발생하는 마모분을 최소화하고 일정한 동작 특성을 확보하며 모듈 부품 수를 감소할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

고정자

도 1은 본 발명에 의한 세라믹스 튜브형 초음파 모터(1OO)에 사용되는 고정자(110)의 구성도를 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 고정자(110)는, 세라믹스 재질로 된 튜브형의 탄성체(111)와, 상기 탄성체(111)의 외주면에 부착되며 위상차가 다른 전압이 각각 인가되는 다수의 압전 진동판(112)을 포함한다.

먼저, 고정자(11O) 중 탄성체(111)는, 상기 탄성체(111)의 외주면에 부착된 다수의 압전 진동판(112)에 인가된 전압에 의하여 굴곡 진동하는 부분이다. 이러한 탄성체(111)는 탄성체(111)의 굴곡 진동에 의하여 상기 탄성체와 접촉하는 상기 회전자를 마찰력으로 소정 방향 회전시키는 역할을 하게 된다.

한편, 상기 탄성체는 종래기술과는 달리 내마모성이 우수한 세라믹스 재질로 이루어져 있으며, 이러한 세라믹스 재질로서 알루미나, 지르코니아 등을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 종래기술에서는 탄성체 역할을 하는 부분이 금속재질로 형성되었지만, 본 발명에서는 알루미나, 지르코니아 등과 같은 경도특성이 우수한 세라믹스 재질로 탄성체를 제작하여, 마찰에 의한 마모를 최소화함과 동시에 길이, 부품수, 제작 공정수 등을 감소시킬 수 있게 된다. 특히 본 발명과 같이 탄성체를 세라믹스 재질로 형성할 경우 금속재질과는 달리 부식의 문제점이 없으며 또한 압전 세라믹스와 유사한 열팽창 특성을 갖게 되어 열충격, 고온동작 및 저온동작 등과 같은 온도관련 신뢰성 테스트에서 우수한 특성을 나타낸다.

다음, 고정자(110) 중 압전 진동판(112)은, 상기 탄성체(111)의 외주면에 부착되어 위상차가 다른 전압이 각각 인가되는 부분이다. 이러한 압전 진동판(112)에 인가된 전압에 의하여 상기 탄성체(111)를 굴곡 진동시키는 역할을 하게 된다.

여기서, 상기 다수의 압전 진동판(112)은 세라믹스 재질로 된 상기 탄성체(111)와 통일한 세라믹스 재질로 구성되며, 세라믹스 재질로서 알루미나, 지르코니아 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 고정자 중 탄성체(111)에 길이 방향으로 부착되는 다수의 압전 진동판(여기서는, 4개의 압전 진동판을 예로 들어 설명함)(112)의 분극 방향은 동일 원주 상에 위치하도록 설치하며, 이때 각각의 압전 진동판(112)들이 전기적으로 서로 연결될 수 있도록 상기 탄성체(111)의 외주면에 전도성 물질(미도시)을 코팅한다.

후술하겠지만, 이러한 압전 진동판(112)에 소정의 위상차를 갖는 전압신호를 인가했을 때 상기 다수의 압전 진동판(112)들이 각각 수축 및 팽창하여 상기 고정자(11O)에 굴곡 변형을 일으키며, 이에 의해 상기 고정자(110)의 중심축에 연결되는 회전자(120)를 구동시키게 된다.

한편, 아래 표 2는, 본 발명과 종래기술에 의한 고정자 중 탄성체 재질에 따른 변위를 각각 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 고정자로서 길이 7.6 mm, 단면부 약 2.5 mm × 2.5 mm 인 스테인레스 스틸의 탄성체(종래기술; A)와 동일 규격의 알루미나 탄성체(본 발명; B)를 사용하였으며, 상기 시뮬레이션은 Atila version 5.2.2 에 의하여 수행되었다. 이때 구동전압으로서 1 V 가 인가되었다.

Figure 112005043538990-pat00002

상기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 비록 재질에 따라 공진 주파수는 차이가 있지만 상기 고정자(110)의 양끝에서 발생하는 최대 변위는 거의 유사한 결과를 보였다.

세라믹스 튜브형 초음파 모터

도 2는 앞서 설명한 본 발명에 의한 탄성체를 구비한 세라믹스 튜브형 초음파 모터(100)의 구성도이다.

본 발명에 의한 세라믹스 튜브형 초음파 모터(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹스 재질로 된 튜브형의 탄성체(111)와, 상기 탄성체(111)의 외주면에 부착되며 위상차가 다른 전압이 각각 인가되는 다수의 압전 진동판(112)을 구비한 고정자(110)와, 상기 다수의 압전 진동판(112)에 인가된 전압에 의해 굴곡 진동하는 상기 탄성체(111)와의 마찰에 의해 회전하는 회전자(120)를 포함한다.

여기서, 상술한 바와 같이, 상기 고정자(110)를 구성하는 튜브형 탄성체는 내마모성이 우수한 세라믹스 재질로 이루어져 있으며, 이러한 세라믹스 재질로서 알루미나, 지르코니아 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 튜브형 탄성체(111)의 외주면에 부착되는 고정자(110) 중 압전 진동판(112)은 세라믹스 재질로 된 상기 탄성체(111)와 동일한 세라믹스 재질로 구성되며, 세라믹스 재질로서 알루미나, 지르코니아 등을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 회전자(120)는, 상기 다수의 압전 진동판(112)에 인가된 전압에 의해 굴곡 진동하는 상기 탄성체(111)와의 마찰에 의해 회전하는 부분으로서, 상기 탄성체(111)의 상면 및 하면과 각각 마찰하는 상부 및 하부 마찰면(120a)(12Ob)을 포함한다. 또한, 상기 회전자의 하부 마찰면(120b)이 형성되는 부분, 보다 구체적으로 상기 회전자(120)의 하부 마찰면(120b)과 상기 회전자(120)의 스토퍼(134) 사이에 스프링(131), 와셔(132) 및 E-링(133)이 순차적으로 설치되어 조립체를 탄성 지지하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 세라믹스 튜브형 초음파 모터의 고정자(10)에 전압 인가시 굴곡 진동 동작을 설명하기 위한 설명도이다.

상기 세라믹스 튜브형 초음파 모터(100)의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

즉, 세라믹스 재질로 이루어진 상기 탄성체(111)에 부착된 상기 4개의 압전 진동판(112)으로 가령 90도와 같은 소정의 위상차를 갖는 4개의 신호를 각각 인가하면, 상기 4개의 압전 진동판(112)은 각각 다른 위상차를 갖는 전압에 의해 각각 다른 진동을 발생하게 된다.

따라서, 상기 탄성체(111){또는 고정자(110)}는 상기 4개의 압전 진동판(112)에서 발생된 진동에 의해 훌라후프(Hula Hoop)와 같은 굴곡 진동을 발생시킨다. 이렇게 상기 고정자(11O)에서 발생한 굴곡 진동은 상기 탄성체(111)와 접촉하고 있는 상기 회전자(120)를 회전시키게 된다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 고정자 및 이를 이용한 세라믹스 튜브형 초음파 모터에 의하면, 튜브형 초음파 모터의 탄성체를 경도 특성이 우수한 세라믹스 재질로 제작하여 마찰에 의한 마모를 최소화함은 물론, 종래의 초음파 모터와 비교했을 때 길이, 부품수 및 공정수 등을 감소시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 탄성체를 세라믹스 재질로 사용하기 때문에 금속재질과는 달리 부식 발생의 문제점이 없으며, 압전 세라믹스와 유사한 열팽창 특성 때문에 열충격, 고온동작 및 저온동작 등과 같은 열적 신뢰성 테스트에서 우수한 특성을 나타낸다.

Claims (8)

  1. 세라믹스 재질로 형성된 튜브형의 탄성체; 및
    상기 탄성체의 외주면에 길이 방향으로 부착되며 소정의 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되는 다수의 압전 진동판;을 포함하는 고정자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전진동판은 상기 탄성체와 동일한 세라믹스 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 고정자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세라믹스 재질은 알루미나 또는 지르코니아인 것을 특징으로 하는 고정자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체의 외주면에는, 상기 압전 진동판들이 서로 전기적으로 연결되도록 전도성 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 고정자.
  5. 세라믹스 재질로 형성된 튜브형의 탄성체와, 상기 탄성체의 외주면에 길이방향으로 부착되며 소정의 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되는 다수의 압전 진동판 을 구비한 고정자; 및
    상기 다수의 압전 진동판에 인가된 전압에 의해 굴곡 진동하는 상기 탄성체와의 마찰에 의해 회전하는 회전자;를 포함하는 세라믹스 튜브형 초음파 모터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전진동판은 상기 탄성체와 동일한 세라믹스 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹스 튜브형 초음파 모터.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 세라믹스 재질은 알루미나 또는 지르코니아인 것을 특징으로 하는 세라믹스 튜브형 초음파 모터.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄성체의 외주면에는 상기 압전 진동판들이 서로 전기적으로 연결되도록 전도성 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 세라믹스 튜브형 초음파 모터.
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